211service.com
Dialyse frakoblet
Konventionel dialyse, hvor en patients blod pumpes gennem et eksternt filter for at dræne akkumulerende toksiner ud, er langt fra ideel for de 1,4 millioner mennesker med nyresygdom på verdensplan, hvis liv afhænger af det. Den almindelige kur med tre halvdags-blodrensningssessioner om ugen fjerner i gennemsnit kun 17 procent af de giftstoffer, som en sund nyre ville fjerne, så kun en tredjedel af alle dialysepatienter overlever mere end fem års behandling.
Nanoteknologi kunne tilbyde et alternativ, mener nefrolog William Fissell ved University of Michigan. Han og kolleger arbejder på nano-pore-membraner, der kan gøre det muligt at miniaturisere dialyse til implanterbare enheder, der sørger for rydning af toksiner døgnet rundt, og frigør dialysepatienter fra omfangsrige pumper og klinikker. Dette er en fundamentalt befriende teknologi, siger Fissell.
Fissell og kollega Shuvo Roy, en biomedicinsk ingeniør ved Cleveland Clinic Foundation , hævder at have løst halvdelen af udfordringen: konstruktion af nanomembraner, der er effektive nok til at understøtte et kompakt implantat med lav effekt. Holdet sikrede et patent på konceptet tidligere på året. Konstruktionsporer med den nødvendige selektivitet - porer, der dræner de værste toksiner væk uden at berøve kroppen for kritiske proteiner såsom albumin, blodkoagulationsfaktorer og antistoffer - viser sig dog at være hårdere end forventet.
Som det praktiseres i øjeblikket, er dialyse en grov procedure. Patienter tilsluttes intravenøst til en kraftig pumpe, der cirkulerer deres blod gennem en patron af porøse plastfibre. Væsker, opløste toksiner og salte passerer gennem fibrene og kasseres, mens de proteiner og blodceller, der er fanget i sien, suppleres med elektrolyt, inden de returneres til patienten. Filterets dårlige væskedynamik er en funktion af deres unøjagtighed: Filterfremstilling producerer en bred vifte af porer, så for at undgå at have for mange store porer, som ville suge værdifulde proteiner ud, skal fibrene fremstilles med en overvægt af meget små porer. Maskinens pumpe udgør forskellen og tvinger blod gennem disse ineffektive sigter.
I modsætning hertil ætser Fissell og Roy porer ind i ultratynde wafers af silicium med litografisk præcision. Resultatet er et homogent array af porer, der hver er i stand til at flowhastigheder adskillige størrelsesordener højere end den gennemsnitlige pore i et konventionelt filter. Porerne efterligner de udsøgt præcise, men effektive membraner, der filtrerer blod i en menneskelig nyre, og ligner et panel af persienner, siger Fissell.
Nuværende prototyper indeholder omkring 10.000 porer per kvadratmillimeter, ifølge Fissell. Næste generations membraner, der nu udvikles, vil have mere end 100.000 porer eller spalter pr. kvadratmillimeter og give mere end 10 gange flowet. En implanteret enhed, der bærer flere hundrede kvadratcentimeter af denne næste generations membran, bør, skønner Fissell, filtrere mindst 30 milliliter blod i minuttet ved gennemsnitligt blodtryk - omkring en tredjedel af normal nyrefunktion. Implantatet ville blive gemt under huden; små væskeposer båret eksternt kunne modtage ultrafiltratet og levere erstatningselektrolytter.
Det er dog fortsat et problem at kontrollere, hvad der går gennem spalterne. Mens selv de største blodtoksiner let glider gennem membranens spalter, tyder eksperimenter med prototyper på, at det mindste af de værdifulde proteiner, albumin, også vil dræne igennem. Dextran, et komplekst sukker, der bruges som surrogat for albumin i filtrationstests, flyver lige gennem prototypeporerne, på trods af at det måler omkring 40 nanometer i diameter, hvilket er tre til fire gange bredere end porerne. Fissell mener, at dextran, et langkædet molekyle, der normalt er sammenpresset som et stykke papir, strækker sig ud, når det støder på spalteporerne og slanger sig igennem - noget, som en proteinkæde som albumin også kan gøre.
Fissells team tester, om nyren ikke kun sorterer efter størrelse, men også ved at generere elektriske ladninger, der frastøder proteinkæder, som også er ladede. De modellerer forskellige kemiske modifikationer for at indføre ladninger på overfladen af siliciumporerne.
For at gøre systemet praktisk vil det kræve at gøre membranerne biokompatible. Umodificeret silicium tiltrækker kraftigt proteiner, og derfor ville en siliciumnano-poremembran hurtigt tilstoppe, hvis den blev implanteret i kroppen. Fissells kollega ved University of Michigan, David Humes, har igangsat dyreforsøg med nanomembranerne for at identificere overfladebehandlinger eller alternative membranmaterialer, der forhindrer tilstopning af implantater.
Humes håber at bruge membranerne til at skabe en mere sofistikeret version af implantatet, der ville indeholde levende nyreceller - analogt med hans biokunstige nyrehjælpeanordning, der i øjeblikket er i fase to kliniske forsøg (se Saving Lives with Living Machines, juli/august 2003). I en implanterbar version af den bio-kunstige nyre ville nano-pore-membraner beskytte de levende nyreceller mod immunceller og antistoffer, som har forpurret de fleste bio-kunstige organimplantater til dato. De levende nyreceller ville til gengæld forbedre implantatets funktion ved at reabsorbere og returnere til blodbanen nogle af de væsker og salte, der passerer gennem nano-poremembranen. I sidste ende kan bio-kunstige implantater, der genvinder væsker og salte og afleder det resterende ultrafiltrat til blæren, endda eliminere behovet for eksterne elektrolyt- og ultrafiltratposer.
Nefrolog Allen Nissenson fra UCLA Medical School, som har arbejdet meget for at støtte udviklingen af bærbare dialyseapparater, siger, at det stadig er uvist, om forskere fra University of Michigan kan presse deres filtreringssystemer ind i en pakke, der er lille og robust nok til implantation. Men han siger, at deres mål om mere præcist at efterligne nyrernes funktion er lige ved – og et velkomment alternativ til de trinvise forbedringer i mere konventionelle teknologier, der har domineret dialyseudviklingen i de sidste 20 år. Innovationer, der i højere grad efterligner den måde, naturlige nyrer fungerer på, er virkelig banebrydende for fremtidens terapi, siger han.
Fissells 30 milliliter per minuts filtrering ville give mere end 30 procent af normal nyrefunktion - en enorm forbedring, ifølge William Harmon, direktør for nefrologi på Children's Hospital i Boston. Det er en vigtig tærskel, siger han, over hvilken mange symptomer på nyresygdom ville forsvinde: Hvis du er på 30 procent, klarer du dig ganske godt.